КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-23-00341
НазваниеЭлектрены: поиск и исследование новых ультратонких материалов методами квантово-механического моделирования
Руководитель Новоселов Дмитрий Юрьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл
Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов
Ключевые слова электриды, электрены, электронная структура, теория функционала плотности, низкоразмерные матриалы
Код ГРНТИ31.15.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
Результаты настоящего проекта позволят существенно углубить понимание свойств и поведения электренов, что откроет новые горизонты в исследовании ультратонких материалов. В рамках проекта планируется:
1. Поиск и конструирование новых одно-, двуслойных и гетерослойных электренов на основе двумерных электридов. В результате ожидается создание новых ультратонких систем с ценными физическими свойствами. Это обеспечит расширение базы данных материалов с потенциальными применениям в наноэлектронике, спинтронике и магнетоэлектрических устройствах.
2. Выработка подхода для квантово-механического моделирования электренов, позволяющего корректно учитывать межэлектронное взаимодействие как на атомных, так и на межузельных состояниях. Это позволит корректно описывать сложные многочастичные корреляционные эффекты, что является ключевым аспектом в понимании фундаментальных свойств электренов. Такой подход повысит общее качество теоретических предсказаний в области квантового материаловедения.
3. Исследование влияния внешних воздействий на свойства рассматриваемых электренов. Предполагается, что такие воздействия, как электронное и дырочное легирование, одноосное и двухосное сжатие и растяжение, могут существенно изменять свойства материалов, предоставляя инструменты для их управления. Это откроет путь к разработке материалов с заданными характеристиками для различных технологических приложений.
Значимость результатов:
1. Научная значимость. Полученные результаты значительно обогатят фундаментальные знания о природе межузельных электронов и их влиянии на свойства низкоразмерных материалов. Это будет способствовать развитию теории конденсированного состояния и квантовой химии материалов. Исследование гетероструктурных электренов может создать предпосылки для формирования нового научного направления.
2. Технологическая значимость. Материалы на основе новых электренов могут найти применение в разработке передовых сверхкомпактных электронных и спинтронных устройств. Высокая поляризация, магнетизм и возможность управлять этими свойствами открывают перспективы для создания высокоэффективных элементов памяти, сенсоров и транзисторов.
3. Междисциплинарное влияние. Полученные знания будут полезны не только в области материаловедения, но и в смежных науках, таких как физика твёрдого тела, химия материалов и нанотехнологии. Это обеспечит широкий интерес к результатам проекта со стороны научного сообщества и индустрии.
Таким образом, обобщение результатов работы над проектом по исследованию электренов послужит основой для развития научного направления и обогатит теоретические знания в области квантового материаловедения низкоразмерных систем, а также создаст предпосылки для развития новых технологий на основе ультратонкой элементной базы, что подчёркивает его значимость как для фундаментальных исследований, так и для практических приложений.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе реализации проекта «Электрены: поиск и исследование новых ультратонких материалов методами квантово-механического моделирования» за отчётный период 2025 года получены значимые научные результаты, соответствующие заявленным целям по поиску новых материалов и выработке подходов к их моделированию.
Основное внимание было уделено исследованию нового семейства потенциальных электренов – слоистых электридов с формулой XF (X = Ca, Sr, Ba). Методами теории функционала плотности (DFT) подтверждена возможность получения их стабильных моно- и бислойных форм. Ключевым результатом стало предсказание устойчивого ферромагнитного состояния для монослоя BaF. Детальный анализ электронной структуры, спиновой плотности и максимально локализованных функций Ваннье показал, что магнетизм в этой системе обусловлен не атомами, а электронами, локализованными в межузльных полостях. На основании этого предложена и теоретически обоснована концепция «магнетридов» (и их двумерных аналогов – «магнетренов») – подкласса электридов/электренов, в которых межузельные электронные состояния, пространственно отделены от атомного каркаса, образуют обособленное электронное подпространство и формируют коррелированную магнитную подсистему. Установлено, что возникновение магнетизма в XF контролируется орбитальным составом катиона (преобладающий вклад 5d-орбиталей бария), что демонстрирует механизм орбитально-контролируемой инженерии свойств: сжатие решётки индуцирует магнетизм в CaF и SrF, а растяжение подавляет его в BaF. Исследование бислоя BaF выявило сложное магнитное упорядочение – ферромагнитное внутри слоя и антиферромагнитное между слоями, указывая на перспективу управления свойствами путём варьирования числа слоёв. Расчёты с учётом сильных электронных корреляций в рамках подхода DFT+DMFT для BaF подтвердили существенную роль многочастичных эффектов (параметр Хаббарда U=2.9 эВ) в формировании его магнитных свойств.
Параллельно успешно решена важная методологическая задача проекта по выработке подходов для корректного учёта межэлектронного взаимодействия в подобных системах. Проведено сравнительное исследование эффективности методов DFT+U+V и эталонного, но ресурсоёмкого DFT+DMFT на примере модельного электрида Li8Au. Показано, что подход DFT+U+V, включающий самосогласованный расчёт не только локальных (U), но и критически важных межузельных (V) кулоновских параметров, обеспечивает превосходное количественное согласие с DFT+DMFT в описании магнитного момента и зонной структуры. При этом он не требует явного построения межузельных функций Ваннье и на порядок менее затратен вычислительно, что делает его практичным инструментом для систематического скрининга и изучения широкого класса коррелированных электридов и электренов.
Полученные результаты вносят существенный вклад в фундаментальное понимание природы межузельных электронов в низкоразмерных системах и создают основу для целенаправленного дизайна ультратонких материалов с магнитными и электронными свойствами, управляемыми на уровне орбитального состава и внешних воздействий. Научные итоги работы опубликованы в двух статьях в высокорейтинговых международных журналах первого квартиля (Physical Review B и Journal of Physics and Chemistry of Solids) и представлены на трёх профильных конференциях, включая две международные.
Публикации
1.
Новоселов Д.Ю., Мазанникова М.А.
Exploring interstitial electronic states in electride materials: DFT+U+V insights into Li8Au
Journal of Physics and Chemistry of Solids, Journal of Physics and Chemistry of Solids 205 (2025) 112772 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jpcs.2025.112772
2.
Новоселов Д.Ю.
Orbital-tailored interstitial magnetism: From electrides to magnetrides
Physical Review B, Phys. Rev. B, Vol. 112, Iss. 24, pp. 245112, Published 2 December, 2025
(год публикации - 2025)
10.1103/f6h3-v8r4